Дефекти при леенето на BGA: Техники за рентгеново инспектиране на PCB и поправка

Въведение

Постоянният напредък на технологиите е насочил електрониката към устройства, които са по-умни, по-бързи и по-компактни. Търсенето на тези продукти е стимулирало развитието на високоплътни технологии, които могат бързо да бъдат сглобени и надеждно да отговарят на растящата сложност на съвременните електрически вериги. Устройствата с мрежа от топчета (BGA) се превърнаха в основно решение, благодарение на способността си да максимизират плътността на веригите и да подобрят производителността при сглобяването на PCB.

Съвременното електронно производство широко прилага компоненти BGA. Тази технология се използва както в потребителската електроника, включително смартфони и игри, така и във висококласови сфери като аерокосмическата и медицинската електроника. Производствените предприятия трябва да владеят техниките за леене на BGA компоненти, да притежават оперативни умения за работа с рентгенови инспекционни системи и да са преуспели в напреднали методи за поправка на BGA компоненти. Тези професионални технически умения имат голяма стойност по време на фазата на разработване на прототипи и са еднакво незаменими в масовите производствени процеси. Пълното овладяване на тази техническа система гарантира, че крайните продукти отговарят на изискванията за производителност.

Какво е леене на Ball Grid Array ( BGA )?

Ball Grid Array: Структура и принос към монтажа на електронни вериги

Мрежово подреждане на топчета (BGA) е технология за опаковане на интегрални схеми, при която оловни топчета са подредени в мрежова структура под BGA устройството. По време на процеса на монтаж тези топчета се разтопяват и образуват механични и електрически връзки между пакета и платката (PCB). За разлика от традиционните пакети, BGA връзките са скрити – което ги прави недостъпни за проста визуална проверка и увеличава зависимостта от напреднали технологии за инспекция, като рентгеновата инспекция.

Как се запояват BGA компонентите към PCB

• Стъпка 1: Проектирайте контактните площи на PCB така, че да съвпадат точно с оловните топчета.
• Стъпка 2: Нанесете оловен паст върху PCB чрез шаблон, който доставя точното количество олово към всяка площ.
• Стъпка 3: Поставете BGA компонента така, че всяко топче да съвпада със своя контакт.
• Стъпка 4: Сборката на PCB се премества през пещ за рефлоу, която нагрява веригата, така че топчетата в мрежата да се разтопят достатъчно и да образуват връзки между BGA и PCB.
• Стъпка 5: След охлаждане, оловните топчета на BGA са отново затворени, създавайки надеждни връзки.

Структура на оловни възли за балонна решетка

Развитие и характеристики на BGA устройствата

Развитието на технологията ball grid array (BGA) беше предизвикано от нуждата да се увеличи плътността на входовете/изходите и да се подобри производителността в електронните сглобки. Когато интегралните схеми в корпуса започнаха да генерират повече топлина и изискваха по-здрави връзки, BGA стана решаващ напредък.

Основни характеристики на BGA:

• Подредени в мрежест модел: Оловни топчета, разположени в редове и колони в долната част на корпуса, позволяват по-голяма плътност на пиновете.
• Подобрена електрическа производителност: Къси, директни спойки намаляват съпротивлението и индуктивността, което е от решаващо значение за високоскоростни вериги.
• Термално управление: Голямата площ на контактите и мрежестото разпределение позволяват на топлината, генерирана от интегралната схема, да се отвежда по-ефективно.
• Съвместимост с високоплътни PCB: BGA поддържат малък разстояние между топчетата — предимство за сглобяване на високоплътни PCB.
• Подобряване на надеждността: Геометрията и структурата разпределят напрежението равномерно, намалявайки риска от умора на спойните възли.

Защо BGA преобладават в съвременното проектиране на платки

Преходът към BGA и партньорствата с PCB дойде от нуждата от устройства, които да осигуряват високоскоростна производителност, по-голяма мощност и повече връзки, без да увеличават размера на платката. Този технологичен скок доведе до това почти всички процесори, FPGA и високоскоростна памет да бъдат опаковани като BGA ИС в най-новите поколения електронни продукти.

Техники за лепене на BGA

Обзор на техниките за лепене на BGA

Лепенето на BGA пакети изисква значително по-високи технически изисквания в сравнение с конвенционалните пакети с изводи. Процесът цели напълно последователно разположение на оловните топчета. Основните цели включват постигане на прецизен контрол на температурата на нагряване. В крайна сметка процедурата изисква формирането на чисти и без мехурчета спойки.

Техниките за лепене включват:

• Процес на рефлоу: Стандартният метод, при който се използва пещ за рефлоу, за да се загрее глобално или локално и разтопи оловните топчета, разположени между пакета и платката.
• Ръчно лепене: Използва се основно за BGA ремонт или сглобяване на прототипи – често включва локално загряване на BGA компонента с помощта на инструмент с горещ въздух.
• Използване на станция за ремонт с горещ въздух: При ремонт/поправка, контролиран източник на горещ въздух и/или ИК загрява зоната около дефектния BGA компонент, за да го премахне, замени или преформира.
• Подравняване и поставяне: Системи за вземане и поставяне или ръчни микроскопи подравняват точно топчетата за лепене върху съответните контактни площи на PCB.

Критични променливи при лепене на BGA

Съвети за перфектно BGA запояване

• Винаги проверявайте депозитите от лепило за запояване преди поставяне — липсваща точка означава липсващо запойно съединение.
• Поддържайте внимателно PCB по време на нагряване, за да избегнете огъване, което причинява неравномерно формиране на запойните съединения.
• За прототипи и BGA ремонт, започвайте с отпадъчни PCB, за да усъвършенствате местното нагряване на BGA компонента, преди да преминете към ценни сглобки.

Техники за инспекция на запойни съединения и технологии за инспекция

Защо инспекцията е от решаващо значение

Тъй като BGA запойните съединения са скрити под корпуса, установяването на дефект само чрез визуални признаци е практически невъзможно. Затова рентгеновата инспекция, както и други техники за инспекция (оптична инспекция, електрически тест), е задължителна част от процеса.

Техники за инспекция на BGA

1. Визуална проверка:

• Използва се за поставяне, подравняване и за визуализация на топчетата по периферията на корпуса.

2. Оптична инспекция (AOI):

• Автоматичната оптична инспекция засича неправилно поставяне, неподходящо разстояние и някои дефекти на съединенията по ръба на пакета.

3. Рентгенова инспекция:

• Както ръчната, така и автоматизираната рентгенова инспекция (AXI) ви позволяват да инспектирате спойки, скрити под BGA. Рентгеновото изображение се използва за проверка на дефекти в спойките, съединяване, празноти, прекъсвания и „глава-възглавница“.

4. Електрически тест:

• Тестовете в схема и с летящи щупове потвърждават непрекъснатостта на всички връзки между BGA и PCB.

5. Други методи за инспекция:

• Акустични и IR системи за инспекция също се използват за напреднало засичане на дефекти (разслояване, празноти и натрупване на топлина).

Сравнение на системите за инспекция

Напреднала технология за инспекция

Развитието на технологиите за инспекция доведе до появата на истински 3D AXI в реално време, системи с рентген с висока разделителна способност и софтуер, който автоматично може да сигнализира, когато температурата по време на рефлоу е твърде ниска или когато вероятно има дефект, например недостатъчно оловен припой.

Съвети за висококачествена инспекция на оловни възли

• Калибрирайте регулярно системите си за рентгенова инспекция, за да осигурите оптимална яснота на изображението и точното засичане на мостове, пори и прекъсвания.
• Използвайте автоматизирана рентгенова инспекция (AXI) при масово производство. Това ускорява процеса на сглобяване, като запазва подробното проверяване.
• При прототипите комбинирайте рентгенова инспекция с ръчна оптична инспекция, тъй като човешкото око понякога може да засече деликатни дефекти, които автоматизираните системи пропускат.
• Свържете рентгеновата инспекция с електрически тестови методи, за да се уверите, че всеки контур, управляван от BGA устройство, функционира под товар, а не само в покой.

Чести дефекти при BGA и как да се избягват

Дори и при отлично проектирани PCB и BGA, по време или след процеса на леене могат да възникнат различни дефекти. Разбирането на причините и превенцията е от съществено значение за изграждане на надеждни вериги.

Типични дефекти при BGA леене

Общи симптоми

• Епизодични повреди в платката (резултат от прекъсвания или студени връзки)
• Къси съединения след първоначална работа (резултат от съединяване с олово)
• Липса на сигнал или високо съпротивление на изходните щифтове (поради празноти/глава-върху-възглавница)

Как да избегнем чести проблеми с BGA

• Проектирайте внимателно моделите на контактните площи и разстоянието между топчетата : Уверете се, че моделът на отпечатъка за BGA устройството напълно съвпада с опаковката.
• Контрол на температурата за леене : Избягвайте прегряване или недостатъчна температура за леене по време на процеса на рефлоу.
• Проверка на качеството на отпечатване на пастата : Където е възможно, използвайте машини за инспекция на лепяща паста и незабавно коригирайте, ако някои площи липсват или са прекалено заредени с лепило.
• Печене на чувствителни към влага BGA ИС преди леене : Това избягва ефекта „попкорн“ и увеличаване на празнините, когато топчетата в решетката се стопят.
• Винаги използвайте правилно профилирана рефлоу пещ: Стандартизирайте максималната температура и продължителността за всеки процес на монтиране, за да се минимизират студени или изгорени връзки.

Процес на поправка на BGA: Инструменти и техники

Когато при монтирането или инспекцията се установи дефектна леена връзка или неизправен BGA компонент, се задейства процесът на поправка на BGA. Систематичният подход е от съществено значение, за да се избегне допълнително повреждане.

Инструменти и техники за ремонт на BGA

Станция за ремонт на BGA:

Основният инструмент е станция за ремонт, предназначена за BGA компоненти.

Тези станции за ремонт разполагат с прецизен контрол на температурата, визуални системи за подравняване и специализирани дюзи за горещ въздух или инфрачервени нагреватели за локално загряване на BGA компонента.

Инструмент с горещ въздух и IR предварителен нагревател:

Използването на инструмент с горещ въздух позволява безопасно премахване на дефектната част, без да се нарушават съседните спойни връзки.

IR предварителен нагревател внимателно затопля платката, за да се предотврати огъване или топлинни шокове.

Визуални системи и подравняване:

Съвременните станции включват камери или микроскопи за прецизно подравняване на оловните топчета към контактните площи.

Инструменти за реболване:

При BGA компоненти, които трябва да бъдат използвани повторно, „презапояването“ заменя старите, замърсени оловни топчета с нови.

Принтер за оловна паста или мини шаблон:

За нанасяне на точното количество олово за новото BGA.

Процес на поправка на BGA (стъпка по стъпка)

Подготовка

Изследвайте и потвърдете дефекта и веригата, които трябва да бъдат поправени.

Премахнете влагата от платката и BGA чрез предварително нагряване.

Премахване

Използвайте станцията за поправка, за да загреете локално BGA компонента.

След като оловните топчета се разтопят, вдигнете BGA с вакуумно устройство.

Почистване на мястото и проверка на контактните площи

Почистете остатъчно олово от контактните площи на платката; проверете за отлепване на площи или повреда на платката.

Ново позициониране на BGA

За новото BGA нанесете лепило за припойка върху контактните площи, използвайте насочващи шаблони за позициониране.

Преформиране на припойката

Използвайте топъл въздушен инструмент или контролни устройства за преработка, за да преформирате новите припойни топчета и да създадете електрически връзки между BGA и PCB.

Крайна проверка

Извършете рентгенов преглед, визуален преглед и електрически тест, когато е необходимо.

Най-добри практики за монтаж, преформиране и качество на PCB

• Предотвратяване на дефекти чрез проверка на всяка стъпка: От печатане на паста и поставяне до преформиране и инспекция.
• Използвайте автоматизиран рентгенов преглед за платки с голям брой BGA компоненти : Ръчното откриване на повреди в скрити припойни топчета не е осъществимо при големи обеми.
• Контрол на температурата при леене : Профилирайте всяка платка с термодвойки, особено за сложни платки с висока плътност.
• Съхранявайте BGAs според препоръките на производителите : Предпазвайте от окисляване на оловните топчета и абсорбиране на влага.

Често задавани въпроси

В: Може ли да се използва ръчно леене за BGA устройства?

О: Ръчното леене обикновено не е подходящо за монтиране на BGA поради скрития характер и малките разстояния между спойните възли. Въпреки това, то има критично значение при поправката, използвайки специални дюзи за топъл въздух и прецизна визуална инспекция.

В: Нужен ли е винаги рентген за инспекция на BGA?

О: Да, при производството — тъй като спойните възли са скрити под корпуса и не могат напълно да бъдат оценени чрез визуални или оптически методи.

В: Какви са признаците, че процесът на спояване на BGA е провален?

О: Прекъсвания в сигнала, липса на изход или повреда на устройството; потвърждава се чрез рентгенова инспекция или провалени електрически тестове.

В: Как да избегнете често срещаните дефекти при BGA по време на рефлуксно запояване?

О: Правилното профилиране на пещта, внимателният дизайн на шаблона и редовните методи за инспекция минимизират както очевидните, така и по-скритите дефекти.

Заключение

Развитието на опаковките тип ball grid array (BGA) има решаващо значение за отговор на непрестанната нужда от по-малки, по-мощни и по-надеждни електронни устройства. Въпреки това, запоите на BGA компонентите — подредени в мрежест модел и скрити в долната част на корпуса — изискват сложни техники за монтаж, поправка и инспекция. От използването на рефлуксни пещи и най-съвременни станции за BGA поправка до необходимостта от напреднала рентгенова инспекция, целият процес изисква внимание към всеки детайл.

Избягването на често срещаните дефекти при BGA изисква надеждни контроли на процеса и ангажимент за използване на правилните инструменти и методи за проверка. Съчетанието от добро проектиране, експертна техника за леене, прецизна инспекция и внимателна преработка гарантира, че всяка високоплътностна платка и всеки интегриран елемент в корпуса ще осигури желаната издръжливост и производителност.

Бъдете крачка напред в непрекъснато развиващия се свят на монтажа на PCB — овладеете леенето на BGA, поддържайте актуална технологията за инспекция и инвестирайте в уменията на своя екип.